基于单片机的电子万年历带计算器

单片机课程设计

题目：基于单机的电子万年历带计算器专业：电气工程及其自动化

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第一章内容摘要

随着科技的快速发展，电子万年历是一种非常广泛日常计时工具，在现代社会越来越流行。它可以对年、月、日、时、分、秒进行计时，还具有闰年补偿等多种功能。本次设计选用DALLAS公司生产的日历时钟芯片DS1302来作为实时时钟芯片，为本系统提供详细的年、月、日和小时、分钟、秒等时间信息，而且DS1302的使用寿命长，误差小，功耗低等优点。电子万年历采用直观数字显示，可以同时显示年、月、日、时、分、秒等信息，还具有定时和时间校准等功能。该电路采用STC89C52RC单片机作为核心，功耗小，电压可选用3.3～5.5V 电压供电。本次设计在电子万年历的基础上加上了计算器，通过切换键来实现两个功能的互换。计算器可以进行7位数的加、减、乘、除，但是最大有效显示结果为9位数。

本系统硬件部分由STC89C52RC单片机、DS1302时钟芯片、1602液晶显示器、4*4键盘等部分构成；拥有时间设置、时间显示、计算器、功能切换等功能。

具体实现功能如下：

（1）显示年、月、日、时、分、秒等信息

（2）具有可调整日期和时间功能

（3）与即时时间同步（不接外部电源）

（4）按切换键后可进行简单的四则运算

第二章关键词

时钟芯片DS1302；单片机STC89C52RC; 液晶显示器LCD1602；晶振；

万年历；计算器；4*4键盘

目录

第一章内容摘要 (1)

第二章关键词 (1)

第三章引言 (3)

3.1、概述 (3)

3.2、设计任务及要求 (3)

第四章设计内容 (4)

4.1、单片机的介绍 (4)

4.1.1、STC89C52单片机 (4)

4.1.2、主要性能 (5)

4.1.3、单片机的应用 (5)

4.1.4、单片机的应用原理 (5)

4.2、LCD1602的原理及其应用 (6)

4.2.1、LCD1602的介绍 (6)

4.2.2 、LCD1602的引脚 (7)

4.2.3、LCD1602的引脚说明 (8)

4.2.4、LCD1602主要技术参数 (9)

4.3、时钟芯片DS1302的工作原理 (9)

4.3.1、DS1302的简介 (9)

4.3.2、DS1302的结构 (10)

4.3.3、DS1302的特点 (10)

4.3.4、DS1302的引脚功能 (11)

4.3.5、DS1302电路原理图: (11)

第五章整体设计 (12)

5.1、设计方法 (12)

5.2 、硬件设计 (12)

5.3、系统框架图 (12)

5.4、电路设计原理图 (13)

5.5、各部分电路的说明 (13)

5.5.1 、复位电路 (13)

5.5.2 、矩阵键盘 (13)

5.5.3 、LCD1602的显示电路 (14)

5.5.4、DS1302时钟电路 (14)

5.6、元件清单 (14)

第六章测试结果及分析 (15)

6.1、软件设计 (15)

6.2、软件仿真 (15)

6.3、硬件调试 (16)

第七章总结与体会 (17)

第八章致谢 (18)

第九章参考文献 (18)

第十章附加程序 (19)

第三章引言

3.1、概述

众所周知单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。本设计要制作的就是单片机于生活中最为常见的几种应用——简易计算器和电子万年历。本简易计算器和电子万年历以AT89S52单片机作为核心，可以显示简易的计算和时间，时间可以人为设定；另外还可以显示当前的日历，显示格式为年（四位），月（两位），日（两位）。设置时间的位切换、设定数值、启动定时器、切换日历通过外部中断来实现。简易计算器不仅可以进行简易的计算还可以显示时间。简易计算器显示电路由LCD1602组成，制作该装置的材料需要有软硬件的支持，硬件方面STC89C52单片机，晶振，电源，液晶屏LCD1602，DS1302时钟芯片。

3.2、设计任务及要求

1、本课题设计的是简单的计算器和万年历，可以进行四则运算和显示时间，为了得到较好的显示效果，所以采用背光LCD1602显示数据和结果；

2、计算器部分：键盘包括数字键(0-9)、符号键(+、-、*、/、.)、清除键(ON/C)和等号键(=)，故需要16个按键，设计中采用4*4矩阵键盘；

3、时间显示的部分，有年、月、日、时、分、秒，时间显示和计算器控制键的分别设置，故需要一个功能切换的按键。显示时间状态时，可以对当前的时间进行设置；

4、执行程序：开机显示零，等待键入数值，当键入数字，通过LCD显示出来，当键入+、-、*、/运算符（包过小数），计算器在内部执行数值转换和存储，并

等待再次键入数值后将显示键入的数值，按等号就会在LCD上输出运算结果；

5、错误提示：当单片机执行程序中有错误时，会在LCD上显示相应的提示，如：当输入的数值或计算器得到的结果大于计算器的显示范围时，计算器会在LCD 上提示溢出（显示-1）；当除数为0时，计算器会在LCD上提示错误，显示“0”。

第四章设计内容

4.1、单片机的介绍

4.1.1、STC89C52单片机

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业89C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

STC89C52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，3个16 位定时器/计数器，1个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

4.1.2、主要性能

1、与MCS-51单片机产品兼容

2、8K字节在系统可编程Flash存储器

3、1000次擦写周期

4、全静态操作：0Hz～33Hz

5、三级加密程序存储器

6、32个可编程I/O口线

7、三个16位定时器/计数器8、八个中断源

9、全双工UART串行通道10、低功耗空闲和掉电模式

l1、掉电后中断可唤醒l2、看门狗定时器

l3、双数据指针l4、掉电标识符

4.1.3、单片机的应用

（1）在智能仪器仪表上的应用（2）在工业控制中的应用

（3）在家用电器中的应用（4）在计算机网络和通信领域中的应用（5）单片机在医用设备领域中的应用（6）在各种大型电器中的模块化应用（7）单片机在汽车设备领域中的应用

4.1.4、单片机的应用原理

STC89C52单片机为40引脚双列直插芯片,有四个I/O口P0,P1,P2,P3, MCS-51 单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），每一条I/O线都能独立地作输出或输入。

单片机的最小系统如下图4.1.4所示,18引脚和19引脚接时钟电路,XTAL1

接外部晶振和微调电容的一端,在片内它是振荡器倒相放大器的输入,XTAL2接外部晶振和微调电容的另一端,在片内它是振荡器倒相放大器的输出。第9引脚为复位输入端,接上电容,电阻及开关后够上电复位电路,20引脚为接地端,40引脚为电源端。

图4.1.4如下：

单片机AT89S52的引脚图（图4.1.4）

4.2、LCD1602的原理及其应用

4.2.1、LCD1602的介绍

LCD1602已很普遍了，具体介绍我就不多说了，市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样。

4.2.2 、LCD1602的引脚

图4.2.2

1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如下表4.2.3。

4.2.3、LCD1602的引脚说明

表4.2.3

第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。

第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。

第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。

第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。

第15脚：背光源正极。

第16脚：背光源负极。

4.2.4、LCD1602主要技术参数

显示容量:16×2个字符

芯片工作电压: 4.5—5.5V

工作电流:2.0mA(5.0V)

模块最佳工作电压:5.0V

字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm

4.3、时钟芯片DS1302的工作原理

4.3.1、DS1302的简介

DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗（小于1mw）、带RAM 的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。

4.3.2、DS1302的结构

DS1302的引脚排列,其中Vcc1为后备电源，VCC2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc1+0.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据传送的方法。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc>2.0V 之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)。SCLK为时钟输入端。

4.3.3、DS1302的特点

1、时钟计数功能，可以对秒、分、时、日、月、年的计数。年计数可达到2099 年。

3、有31*8 位的额外数据暂存寄存器(即RAM，掉电丢失)

4、最少I/O 引脚传输，通过三引脚控制

5、工作电压：2.0-5.5V

6、工作电流小于300nA (2.0V)

7、读写时钟寄存器或内部RAM(31*8 位的额外

8、数据暂存寄存)可以采用单字节模式(一次读写单个字节)和突发模式(一次读写多个字节)

9、8-pin DIP (直插封装)或8-pin SOICs(贴片封装)

4.3.4、DS1302的引脚功能

4.3.5、DS1302电路原理图:

电路原理图如图4.3.5，DS1302与单片机的连接也仅需要3条线：CE引脚、SCLK 串行时钟引脚、I/O串行数据引脚，Vcc2为备用电源，外接32.768kHz晶振，为芯片提供计时脉冲。

图4.3.5

第五章整体设计

5.1、设计方法

本电路设计采用AT89S52单片机为核心，利用晶振产生频率为1HZ的时钟脉冲信号，利用液晶屏LCD1602显示计算及其时间信息，通过对AT89S52单片机的编程控制液晶屏LCD1602的显示。显示时间和简易计算的信息同在LCD1602，通过按键切换选择。外部按键可及时设定或调整时间或计算的信息。

5.2 、硬件设计

本系统以AT89S52单片机为核心，本系统选用12MHZ的晶振，，使得单片机有合理的运行速度。起振电容22pF对振荡器的频率高低、振荡器的稳定性和起振的快速性影响较合适，复位电路为按键高电平复位。DS1302时钟芯片选用32.768KHz的晶振，以此保持时间的准确性。并在后备电源处提供了后备电源，当没有外接电源时，后备电源就供电，这样就可以保持时钟芯片的不断电及掉电也可以准确计时。本系统中的后备电源采用3v的电子电源，其寿命可达一年以上。液晶显示器采用背光的，本次设计选用16引脚的LCD1602。

5.3、系统框架图

5.4、电路设计原理图

图5.4

5.5、各部分电路的说明

5.5.1 、复位电路

51单片机是高电平复位。所以本设计采用的是上电复位和手动复位相结合的方式。

5.5.2 、矩阵键盘

计算器输入数字和其他功能按键要用到很多按键，如果采用独立按键的方式，在这种情况下，编程会很简单，但是会占用大量的I/O 口资源，因此在很多情况下都不采用这种方式，而是采用矩阵键盘的方案。矩阵键盘采用四条I/O 线作为行线，四条I/O 线作为列线组成键盘，在行线和列线的每个交叉点上设置一

个按键。这样键盘上按键的个数就为4*4个。这种行列式键盘结构能有效地提高单片机系统中I/O 口的利用率。

5.5.3 、LCD1602的显示电路

本设计采用液晶屏LCD1602来显示输出数据，通过D0-D7引脚向LCD写指令字或写数据以使LCD实现不同的功能或显示相应的数据。

5.5.4、DS1302时钟电路

电路原理图如图5.5，DS1302与单片机的连接也仅需要3条线：CE引脚、SCLK串行时钟引脚、I/O串行数据引脚，Vcc2为备用电源，外接32.768kHz晶振，为芯片提供计时脉冲。

5.6、元件清单

元件名称数量元件名称数量

AT89S52单片机1片电位器1个

LCD1602 1块开关1个

DS1302 1片按键19

电阻（4.7K）10个纽扣电池1个导线若干万能板1块

USB电源线1根电源接头1个

电容2个晶振2个

LED二极管1个排针、引脚若干

表7.0

第六章测试结果及分析

6.1、软件设计

本电路软件设计采用C语言编写程序（具体程序在附加中给出）。程序设计主要包括简易计算的编程，按键编程，时间控制编程，液晶屏LCD1602的显示编程（共四条程序，编程采用程序模块式）。程序编程好后，编译没有出错后，就直接生产hex文件，然后进行（proteus）软件仿真。

我们用proteus绘制的仿真图如下：

图6.1

6.2、软件仿真

在硬件设计完成后，利用软件对其进行仿真，这样，就会减少在做硬件时的错误，做到更准确。本次我采用Proteus软件仿真。

如图6.2所示，电子万年历的时间仿真图。

图6.2

经过此次的软件仿真，仿真结果正常，可以顺利的进行硬件制作。

6.3、硬件调试

前期的那些准备工作都是为了这最后的一步，先把元件排版好后，就是自己动手焊接，制作出完整的实物。在确保焊接无误后，接着将之前编好的程序烧写进单片机，做最后的硬件调试。（看效果是否和仿真的效果一致，如果和仿真相同，那么作品就成功地完成了。要是没有达到仿真时的效果，那么就是焊接时出现了失误。）我们的硬件测试比较顺利，以下为实物演示图。

第七章总结与体会

在用单片机实现万年历计算器的设计中使用到了STC89C52、LCD1602、LDS1302及其4*4键盘的使用。在设计过程中我通过在课本、网上和图书馆查阅资料，收集了关于单片机、液晶屏LCD1602显示和时钟芯片LDS1302方面的资料，通过对这些资料的学习，我了解了单片机的基本结构和单片机在生活和生产中所发挥的作用以及液晶显示器LCD1602和时钟芯片LDS1302的原理和使用。

本次课程设计是对以前学过的理论知识进行了巩固，加深了理解，提高了应用的能力，提高了自己的发现、分析、解决问题的能力；也增加了团队合作的精神，我们分工明确，每人负责不同的工作，做到了人人到参与到作品设计中，还有更重要的就是提升了自己的动手（实践）能力。经历了从最初的选题、硬件设计、软件设计到最后仿真结果的出现，从一定程度上提高了对专业知识的认识及兴趣。本次课程设计大体上还是比较顺利的，我们虽然把作品成功地做出来，这说明我们在硬件这一块还是可以的；但是在软件方面，我们就比较差了，软件一直困扰着我们，是我们的一大肋骨。但我坚信只要我们持之以恒，就一定能攻破

软件这一块。我们期待着在软件方面的进步。

第八章致谢

在此也很感谢学校和老师给我们提供了这样的平台，能使我们的动手能力增强；感谢老师对我们提供的帮助，感谢老师带给我们新的知识，使我们顺利地完成本次的课程设计。同时也感谢我的同学们，对我的帮助以及支持！

第九章参考文献

[1]陈朝大. 李杏彩. 单片机原理与应用. 化学工业出版社. 2013：045-747

[2] 田立.田清.代方震.51单片机C语言程序设计.北京.人民邮电出版社.2008：132-148.

[3] 张仪和.例说51单片机（C语言版）（第三版）.北京.人民邮电出版社.2010：374-392.

[4] 谭浩强.C程序设计（第三版）.北京.清华大学出版社.2003：140-150.

[5] 温子祺.刘志峰.冼安胜.林秩谦.李益鸿.51单片机C语言创新教程.北京.北京航空航天大学出版社.2011：154-163.

[6] 俞锡存.曹国华.单片机原理及接口技术.西安.西安电子科技大学出版社.2000：80-95.

第十章附加程序

DS1302时钟芯片程序

#include

typedef unsigned char u8;

typedef unsigned int u16;

sbit DS1302_CE = P3^5;

sbit DS1302_CK = P3^3;

sbit DS1302_IO = P3^4;

extern u8 setIndex; //时间设置索引u8 setIndex; //时间设置索引extern void LcdShowStr(u8 x, u8 y, u8 *str);

extern void LcdSetCursor(unsigned char x, unsigned char y);

extern void LcdOpenCursor();

extern void LcdCloseCursor();

struct sTime { //日期时间结构体定义

unsigned int year; //年

unsigned char mon; //月

unsigned char day; //日

unsigned char hour; //时

unsigned char min; //分

unsigned char sec; //秒};

/* 发送一个字节到DS1302通信总线上*/

void DS1302ByteWrite(unsigned char dat)

{ unsigned char mask;

for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1) //低位在前，逐位移出

{ if ((mask&dat) != 0) //首先输出该位数据

DS1302_IO = 1;else DS1302_IO = 0;

DS1302_CK = 1; //然后拉高时钟

DS1302_CK = 0; //再拉低时钟，完成一个位的操作} DS1302_IO = 1; //最后确保释放IO引脚}

/* 由DS1302通信总线上读取一个字节*/

unsigned char DS1302ByteRead()

{ unsigned char mask; unsigned char dat = 0;

for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1) //低位在前，逐位读取

{ if (DS1302_IO != 0) //首先读取此时的IO引脚，并设置dat中的对应位{ dat |= mask; }